黄河泥沙基生土材料改性及机理研究

刘俊霞，海然，张磊，李建伟（.中原工学院 建筑工程学院，河南 郑州　450007；.天津城建大学 材料科学与工程学院，天津　0084；.河南建筑材料研究设计院有限责任公司，河南 郑州　45000）



黄河泥沙基生土材料改性及机理研究

刘俊霞1，海然1，张磊2，李建伟3
（1.中原工学院 建筑工程学院，河南 郑州450007；2.天津城建大学 材料科学与工程学院，天津300384；3.河南建筑材料研究设计院有限责任公司，河南 郑州450002）

研究无机胶凝材料、有机聚合物和植物纤维3种改性措施对黄河泥沙基生土材料抗压强度、软化系数和微观结构的影响。结果表明，采用传统的振捣成型自然养护工艺，按m（活化泥沙）∶m（无机胶凝材料）∶m（砂）=65∶25∶10配比，再掺加1.8%聚丙烯酸钙和0.8%黄麻纤维，可制备出抗压强度达13.9 MPa，软化系数为0.88的生土材料；SEM和EDS分析显示，改性后黄河泥沙颗粒得到良好固结，拔出黄麻纤维与基体材料粘结紧密；无机水化产物、有机聚合物和植物纤维协同作用，形成连续、半连续和互相搭接的3套网络结构体系，共同固结强化黄河泥沙。

黄河泥沙；生土材料；生土改性；协同效应

黄河河道淤积泥沙矿物组成主要是石英、长石、方解石和黏土，其化学组成除硅铝外，其它组分大致有如下规律［1］：CaO＞Fe2O3＞MgO＞TiO2＞MnO［1］，有机质含量为0.4%～0.8%，pH值为7.5～8.5［2］。颗粒主要为0.005～0.075 mm的粉粒，粉粒含量一般高达80%以上，粘粒不足20%。这造成了黄河泥沙可塑性和抗压强度低，在工程应用方面表现为难以与稳定材料形成良好的物理化学联结，限制了黄河泥沙在生土材料领域的应用。

目前，通常利用水泥、石灰、工业固体废弃物、有机物、纤维等材料固结强化生土，改善生土材料的力学性能和耐水性。Burroughs［3］分析了104种土壤，并通过石灰和水泥改性土壤，结果表明，土体自身的无侧限抗压强度大于2 MPa才能够取得良好的固结强化效果。Ciancio等［4］的研究表明，生石灰掺量3%～4%时，生土材料的孔隙率达到最佳。Mehmet等［5］研究了黏土和砂掺量对生土材料抗压强度和可塑性的影响。Sayyed等［6］通过植物根茎改善生土材料的强度和耐水性。钱觉时等［7］利用脱硫石膏、粉煤灰等改性生土材料，改性后生土材料抗压强度提高2～4倍，抗折强度超过1.0 MPa，比传统生土材料提高1倍，干燥收缩显著降低，耐水性和耐候性有很大的提升。

本文在借鉴上述研究结果的基础上，探索黄河河道淤积泥沙固结强化并应用于生土材料的可能性。通过无机胶凝材料、有机聚合物和植物纤维共同固结强化黄河泥沙，研究了3种改性措施之间的协同效用，为推进黄河泥沙的资源化利用提供理论和实践基础。

1　试验

1.1原材料

黄河泥沙：取自黄河下游的花园口，天然含水率44.8%，主要化学成分见表1，使用时将黄河泥沙用6%CaCl2活化处理，得到活化泥沙；P·O42.5水泥：开封孟电水泥有限公司生产，28 d抗折和抗压强度分别为8.8、53.4 MPa；CaCl2、Ca（OH）2和丙烯酸：分析纯试剂；生石灰：市售，有效CaO含量大于70%；粉煤灰：活性指数为0.78；试验用砂为河砂，Ⅱ区中砂；黄麻纤维：长8 mm，密度1.2 g/cm3，长径比70，拉伸强度405 MPa，拉伸模量16.4 GPa。

表1　黄河泥沙的主要化学成分　%

1.2生土材料的制备

以CaCl2活化黄河泥沙为主要原料，按照表2配合比制备生土材料，其中无机胶凝材料组成为m（水泥）∶m（生石灰）∶m（粉煤灰）=1∶1∶1.2，丙烯酸钙通过丙烯酸和氢氧化钙反应制得。拌合料在模具内振捣成型，试件尺寸为240 mm×115 mm× 53 mm，脱模后室温自然养护至规定龄期进行性能测试。

表2　黄河泥沙基生土材料配合比

1.3性能测试方法

28 d抗压强度依据GB/T 5101—2003《烧结普通砖》进行测试，软化系数是自然养护27 d后浸水24 h试件与自然养护28 d试件抗压强度的比值［8］。用日本理学JSM-6700F扫描电镜对生土材料断面进行SEM微观结构和EDS分析。

2　试验结果与分析

2.1无机胶凝材料对生土材料性能的影响（见图1）

图1　无机胶凝材料对黄河泥沙基生土材料性能的影响

由图1可以看出，随着无机胶凝材料掺量的增加，生土材料的抗压强度和软化系数呈上升趋势。在无机胶凝材料掺量由16%增至25%时，生土材料的抗压强度增长比较明显，由2.8 MPa增至7.1 MPa；无机胶凝材料掺量继续增大到28%时，抗压强度仅增至7.3 MPa，增速明显放缓。生土材料的软化系数与抗压强度的增长趋势基本一致。这是由于拌合料中水泥、生石灰和粉煤灰总掺量的增加，体系内水化硅酸钙、Ca（OH）2和硅胶所构成无机胶凝水化网络的固化作用和抗水性随之增强。因此，从最大程度地利用消纳黄河泥沙和满足产品的基本性能指标这两方面考虑，试样中黄河泥沙的掺量为65%，无机胶凝材料为25%，砂为10%，拟通过聚合物和植物纤维进一步改善生土材料的性能。

2.2丙烯酸钙对生土材料性能的影响（见图2）

图2　丙烯酸钙对黄河泥沙基生土材料性能的影响

由图2可以看出，丙烯酸钙掺量为1.8%时，生土材料的抗压强度达到14.1 MPa，与基准试样相比提高1倍以上。这是由于丙烯酸和氢氧化钙加入到黄河淤泥后发生酸碱中和反应生成丙烯酸钙，丙烯酸钙会发生自由基聚合反应，形成不溶于水的网状高分子链，这样生土颗粒就被强度高、有塑性的链包围，形成一个空间网，并与无机胶凝材料的水化产物共同起到提高生土砌块强度的作用［9］。同时由于丙烯酸钙聚合物有保水作用，在试件饱水条件下吸收的大量水分会减少泥沙颗粒在受压条件下的滑移阻力，因而软化系数明显下降。

2.3黄麻纤维对生土材料性能的影响（见图3）

图3　黄麻纤维掺量对黄河泥沙基生土材料性能的影响

由图3可以看出，掺入黄麻纤维能够提高生土材料的抗压强度，当体积掺量为0.8%时，试件抗压强度为9.3 MPa，较基准试件提高33%，黄麻纤维的掺入可以在生土材料中形成互相搭接的三维网络结构，在材料受压产生变形时，由于黄麻纤维牵拉作用能够吸收部分破坏能量，减缓裂纹的延伸，进而提高生土材料的强度。同样，由于黄麻纤维的阻裂作用，试件的软化系数与基准试件相比并无太大差异，都维持在0.9以上。但黄麻体积掺量过大时，会增大生土材料的气孔率，并在纤维间产生棚架效应劣化其性能。尽管黄麻纤维具有明显的增强效果，但其本身的局部物理强化作用与丙烯酸钙的有机网络还是有一定差距，强度的提高仍然有限。

2.4黄河泥沙基生土材料微观结构分析

依据以上试验结果，丙烯酸钙的最佳掺量为1.8%、黄麻纤维为0.8%，采用物理强化与有机聚合物固化相结合的方法，制备的黄河泥沙基生土材料28 d抗压强度为13.9 MPa，软化系数为0.88，说明黄麻纤维有效地弥补了丙烯酸钙降低生土材料耐水性的不足，并与聚丙烯酸钙共同强化基体材料。

表2中18#试件的SEM照片和EDS图谱见图4，图4（c）中各点的能谱分析见表3。

图4　18#试件的SEM照片和EDS图谱

表3　图4（c）中各点的能谱分析　%

图4（a）和（b）显示，粗砂和泥沙颗粒周围均匀分布大量的絮状胶凝材料，黄河泥沙得到良好固结强化，确保生土材料具有初步的强度和耐水性。图4（c）中拔出纤维表面凸凹不平，有大量的水泥和生石灰的水化产物；EDS分析结果显示主要是C-S-H和CH（见表3），说明黄麻纤维与生土材料基体界面结合紧密，能够有效地强化生土材料。由于丙烯酸钙掺量较低，SEM未能分析明显有机聚合物网络以及互穿网络的微观形态［10］。生土材料的强度网络体系以无机胶凝材料作为最基本强度的支撑体，以聚合物和植物纤维作为改性固结的辅助体，最终形成连续、半连续和互相搭接的网络结构体系，共同强化固结黄河泥沙。

3　结论

（1）通过无机胶凝材料、聚丙烯酸钙和黄麻纤维3套网络结构体系的协同作用，黄河泥沙能够得到良好固结。

（2）SEM和EDS结果显示，粗砂和黄河泥沙颗粒周围均匀分布大量的絮状胶凝材料，拔出纤维表面粘结有大量无机水化产物，表明黄麻纤维与基体材料形成良好的物理粘结。

（3）以65%黄河泥沙和25%的无机胶凝材料，辅以1.8%丙烯酸钙和0.8%黄麻纤维，采用传统的振捣成型和自然养护工艺，能够制备出抗压强度13.9 MPa、软化系数0.88的生土材料。

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Modification technique and mechanism of stabilized earth materials prepared from the Yellow River sediment

LIU Junxia1，HAI Ran1，ZHANG Lei2，LI Jianwei3
（1.Architectural Engineering Department，Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007，China；2.Department of Materials Science and Engineering，Tianjin Chengjian University，Tianjin 300384，China；3.Henan Building Materials Research and Design Institute Co.Ltd.，Zhengzhou 450002，China）

In this paper，the influences of inorganic cementitious material，polymer bonding agent and jute fiber on the compressive strength，softening coefficient and microstructure of the stabilized earth concrete prepared from the Yellow River sediment were investigated respectively.The results showed that by adopting traditional vibrating forming and natural curing process，stabilized earth with compressive strength of 13.9 MPa and softening coefficient of 0.88 can be prepared when the mixture ratio of activated silt/cementitious binder/sand was 65/25/10，strengthened with 1.8%polypropylene calcium and 0.8%jute fiber.SEM images and EDS spectral analysis results showed that the modified Yellow River sediment could be better consolidated and the jute fiber could joint with the base material closely.There was indeed synergy among inorganic hydration products，polymer bonding agent and jute fiber，which could jointly solidify and strengthen the Yellow River sediment particles continuously，semi-continuously and of interconnecting form.

the Yellow River sediment，stabilized earth materials，earth modification，synergy effect

TU528.09

A

1001-702X（2016）06-0014-03

国家科技支撑计划项目（2014BAL03B03）

2016-01-21；

2016-03-10

刘俊霞，女，1972年生，河南武陟人，博士，主要从事水泥基复合材料和生土材料的研究和教学工作。地址：郑州市中原区中原中路41号，E-mail：liujunxia80600@163.com。